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1、2024/8/21数字图像处理及医学中的应用2024/8/22主讲教师：计算机教研室 王 静办公室电话：82802408Email:wang_办公室地址：逸夫楼8192024/8/24上课安排6：30-7：30上课7：30-9：30上机2024/8/25课程考核平时作业（60%）平时考勤及课堂表现（15%）期末作业（25%）2024/8/26教学目的理解医学图像处理和分析的主要方法了解matlab图像处理工具在今后的学习工作中能更好的理解和使用图像处理软件或硬件在今后的学习工作中能根据自己的科研或工作需要，编写一些小的图像处理程序2024/8/27主要参考书田捷医学影像处理与分析电子工业出版社
2、罗述谦医学图象处理与分析科学出版社冈萨雷斯数字图像处理(第二版)冈萨雷斯数字图像处理（Matlab版）讲义及资料ftp:/192.168.36.54医学图像处理文件夹下大家可以在这里下载讲义及其他资料每节课的作业也上传至此2024/8/210数数 字字 图图 像像 处处 理理Image Processing2024/8/211百闻不如一见One picture is worth more than ten thousand words. Anonymous2024/8/212人类通过眼、耳、鼻、舌、身接受信息，感知世界。约有75%的信息是通过视觉系统获取的。数字图像处理是用数字计算机处理所获取
3、视觉信息的技术。2024/8/213数字图像目的：便于计算机处理。连续图象数字图象离散化RC2024/8/215数字图像离散化：空间采样： 512X512 象素 Pixel分辨率 Resolution幅值量化：256级, 28级, 8bit,灰度级 Grey level分辨率不同的图象比较分辨率640x480分辨率320x240分辨率160x120分辨率80x60分辨率640x480分辨率320x240分辨率160x120分辨率80x60Thumbnail2024/8/227从粗到细地观察点点击击图图片片播播放放视视频频查视力=检测分辨率？2024/8/231图像数据格式图像在计算机中是以图像
4、文件的形式存储的。存储的格式有多种，较常用的有BMP,GIF,JPEG,TIFF,PCX，dicom等BMP图像文件的结构分三部分：文件头、位图信息数据块以及图像数据文件头：文件类型、大小和打印信息位图信息数据：图像数据2024/8/232数字图像处理的范畴数字图像处理的范畴图像处理（低级处理）：便于处理对图像信息进行改进，比如降低噪声，对比度的增强和图像锐化等。特点：输入图像，输出图像。图像分析（中级处理）涉及分割，及特征提取。输入是图像，输出为图像的特征计算机视觉（高级处理）：涉及在图像分析中被识别物体的总体理解，以及执行与视觉相关的行为2024/8/2332024/8/2342024/8
5、/2352024/8/2362024/8/2372024/8/242应用领域：通信：图象传输，电视电话，HDTV等。宇宙探测：星体图片处理。遥感：地形、地质、矿藏探查，森林、水利、海洋、农业等资源调查，自然灾害预测，环境污染的监测，气象云图。生 物 医 学 ： CT， NMR， PET， SPECT，DSA，X射线成象，B超，红外图象，显微图象。工业生产：产品质量检测，生产过程控制，CAD，CAM。2024/8/243应用领域：军事：军事目标侦察，制导系统，警戒系统，自动火器控制，反伪装等。公安：现场照片，指纹，手迹，印章，人像等处理和鉴别。档案：过期的文字、图片档案的修复和处理。机器人视觉娱
6、乐：电影特技，动画，广告，MTV等。2024/8/244应用举例非生物医学领域空间探索地球资源勘探遥感图片2024/8/2482024/8/249气象预报气象云图气象预报2024/8/252计算机绘画计算机合成图像计算机合成图像广告设计2024/8/256影视点点击击按按钮钮播播放放视视频频2024/8/257动画2024/8/258网页设计2024/8/259网页设计点击图片点击图片 播放播放FLASHFLASHWallpaper2024/8/261娱乐军事应用目标跟踪军事应用隐形飞机、定位轰炸2024/8/264军事应用2024/8/265军事应用2024/8/266交通监控自动驾驶202
7、4/8/267图像处理在医学中的应用医学图像处理和分析是近几年兴起的新兴交叉学科，正方兴未艾。1。借助图像处理技术的有力手段，医学影像的质量和显示方式得到了极大的改善，从而借助于医学图像处理与分析手段使得诊疗水平大大提高。2。为医学培训、医学研究与教学、计算机辅助临床外科手术等提供数字实现手段，为医学的研究与发展提供坚实的基础，具有不可估量的价值2024/8/268医学图像处理研究的内容医学图像成像技术（MedicalImaging）医学图像处理和分析（医学图像后处理post-processing）图象增强技术图象分割技术图像配准技术图象融合技术图像三维可视化技术对象识别技术2024/8/26
8、9医学图像成像技术（Medical Imaging）主要研究如何将实际人体信息转换为计算机的二进制数据的问题。经过一定的重建算法把这些数据转换成与二维图像像素或三维体数据对应的原始图像数据集2024/8/270医学影像设备目前常见的医学影像B超扫描图像、彩色多普勒超声图像、核磁共振图像、CT图像、PET图像、SPECT图像、数字X光机（DX）图像、X射线透视图像、各种电子内窥镜图像，显微镜下病理切片图像等。2024/8/271伦琴因发现X射线获得首届诺贝尔物理学奖。 2024/8/272伦琴开创了人体图像的先河X射线成像基于待成像物体各部分的密度不同，对x射线的吸收不同，透射X射线强度不同，从
9、而在胶片上成像的。X光图片是X射线在通路上物体对射线吸收的积分效果。X光图片不能反映组织或病灶的三维空间位置2024/8/275Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。 2024/8/276CT计算机体层摄影（computed tomography, CT）扫描仪利用X线对人体某一范围进行逐层的横断扫描，取得信息，经计算机处理后获得重建的图像。获得的图像为人体的横断解剖图，并可通过计算机处理得到三维的重建图像。（X射线断层扫描影像装置）CT工作原理2024/8/277某物质的CT值等于该物质的衰减系数与水的吸收系数之差再与水的衰减系数相比之后乘以100
10、0。其单位名称为HU。值水0值空气1000值骨10003）常见人体组织的值（）组织值组织值骨组织400肝脏5070钙值80300脾脏3560血块6484胰腺3055脑白质2534肾脏2550脑灰质2844肌肉4055脑脊液38胆囊1030血液1332甲状腺5090血浆314脂肪20100渗出液15水02024/8/279CT的密度的密度分析CT图像，一方面是观察解剖结构，另一方面是了解密度改变。后者可通过测定CT值而知，亦可与周围组织的密度对比观察。人体内肿瘤组织因部位、代谢、生长及伴随情况不同，其密度变化各异。CT对组织的密度分辨率较高，且为横断面扫描，提高了肿瘤诊断的准确率。2024/8/
11、280造影剂的应用造影剂的应用虽然CT较普通X线摄影有更高的密度分辨率，但有些病变与正常组织间的密度差异很小，需要利用造影剂使上述密度差异加大，以帮助诊断。CT扫描用造影剂可分两大类：一类为用于空腔脏器的造影剂，另一类为静脉注射用造影剂（偶尔也通过动脉注射造影剂）。2024/8/281近20年来，由于CT装置、成像软件及扫描技术的不断更新和改进，出现了CT电影，CT血管造影，超高速CT，高分辨率CT，螺旋CT等技术，使得CT技术在临床的许多领域得到应用，提高了诊断的准确性和可信度。CT是当今影像技术中不可缺少的手段骨骼在CT图像中可以显示得非常清楚2024/8/282CT检查的优点：（1）CT
12、为无创性检查，检查方便、迅速，易为患者接受。（2）有很高的密度分辨力，密度相差5-6H的不同组织能被区分。能测出各种组织的CT值。（3）CT图象清晰，解剖关系明确。（4）CT能提供没有组织重叠的横断面图象，并可进行冠状和矢状面图象的重建。（5）用造影剂进行增强扫描，不仅提高了病变的发现率，而且有的能做定性诊断。2024/8/283CT检查的限制CT扫描虽有广泛的适应范围，但仍有限度。虽然发现病变的敏感性极高，但在定性诊断上仍有很大的限制。由于CT机测定的是物理参数，即人体组织对X线的衰减值或物理密度，医生就是根据正常组织和异常组织呈现的衰减值差异作为诊断的依据，如果衰减值无差异，再大的肿瘤也无
13、法鉴别。可见CT扫描尽管有许多优越性，但也有其局限性，只有与其他设备，其他诊断手段相配合，才能充分发挥其作用。2024/8/2842024/8/285MRI核磁共振成像把病人放在强磁场中，并使无线电短脉冲通过病人身体，每个脉冲将导致一个有病人组织发射的无线电响应脉冲，这些信号发生的位置和强度由计算机确定，从而产生一个病人的横截面图像MRI可以在任何平面产生图像2024/8/286 MRI2024/8/287 MRI2024/8/2881.无电离辐射危害，是一种安全的检查的方法。2.多参数成像，可以提供丰富的诊断信息。3.高对比度成像，在所有医学影像技术中，MRI的软组织对比分辨力最高。4.具有
14、任意方向断层的能力，能够从不同角度直视地观察分析组织结构及其病变。5.与传统血管造影相比，它最大的优点是无创性，无需使用对比剂，可直接显示心脏和血管结构，即磁共振血管成像，从图像质量来看，目前它至少可以显示大血管及各主要脏器的一、二级分支血管。6.无骨伪影干扰，后颅凹病变清晰可辨。7.可进行功能、组织化学和生物化学方面的研究。MRI的优点2024/8/289临床应用中枢神经系统MR已成为颅颈交界区，颅底、后颅窝及椎管内病变的最佳检查方法。该技术对脑肿瘤、脑部炎症、脑血管病、脑发育不全、脑变性病与白质脑病有良好的诊断价值对颅脑损伤与癫痫的诊断起辅助诊断作用对脊柱与椎管内病变有重要诊断意义如脊管肿
15、瘤、脊柱炎症病变、脊柱先天畸形、退行性病变、脊柱外伤手术与手术后改变等应用肌肉关节系统MRI已成为肌肉、肌腱、韧带、软骨病变影像检查的主要手段之一。对于关节周围病变、股骨头缺血性坏死，半月板损伤、松质骨细微结构的破坏，骨小梁骨折（骨挫伤）以及骨髓腔内病变均具有重要的诊断价值。电影MRI技术还可进行关节功能检查。fMRI功能成像研究脑功能对肺、密质骨，如四肢长骨、胃肠道疾病不如CT2024/8/290Motor Activation - Right Index Finger MovementMotor Activation - Right Index Finger Movement1Hz2Hz3
16、Hz%100755025Schlaug,etal,1995,HarvardMedicalSchoolandBethIsraelHospital2024/8/291Asymmetry of Auditory Regions in Musicians with Perfect PitchSchlaug,etal,Science 267:699(1995)2024/8/292MRI的缺点成像速度慢，尤其是对于低场强者，这是MRI的主要缺点。不适合运动性器官，如肺部疾病患者和危重病人的检查，对于躁动或丧失自制能力的人，如不使用镇静剂，也是难以成像的。对钙化灶和骨皮质病灶不够敏感。禁忌症相对较多。MRI
17、设备的强磁场和RF(射频)场有可能使心脏起搏器失灵，也容易使各种金属性植入物移位。在激励电磁波作用下，体内的金属还会因为发热而对病人造成伤害。因此，安置心脏起搏器、假肢、人工髋关节的病人、疑有眼球异物的病人以及动脉瘤银夹结扎术后的病人都禁做MRI检查。装假牙的病人不能进行颌面水平MRI检查。放置宫内节育环者，如检查中出现不适应立刻停止检查。4、图像易受多种伪影干扰。MRI伪影主要来自患者的运动，金属异物以及设备三个方面。2024/8/293超声图像（sonography ）医用超声诊断仪是将声纳原理和雷达技术相结合生产的为临床应用的医疗仪器。其基本原理是高频超声脉冲波辐射到生物作内，由生物体内
18、不同界面反射出不同波形并形成图像从而判断生物体内是否有病变。超声诊断仪由起初的一维超声扫描显示，发展为二维甚置三维、四维的超声扫描和显示，大大增加了回波信息量，使生物体内的病灶清晰，易辨，因此，它将被越来越广泛地应用医用超声诊断仪2024/8/294超声优点1.有高的软组织分辨力。组织只要有1的声阻抗差异，仪器就能检测出，并显示其反射回波。2具有高度的安全性当严格控制声强低于安全阂值时，超声可能成为一种无损伤的诊断技术，对医务人员更是十分安全。3实时成像它能高速实时成像，可以观察运动的器官，并节省检查时间。4使用简便，费用较低，用途广泛。B超缺点比如B超在清晰度、分辨率等方面，较弱。B超对肠道
19、等空腔器官病变易漏诊。气体对超声影响很大，患者容易受到患者肠气干扰等多方面因素影响检查结果B超检查需要改变体位屏气等，对于骨折和不能配合病人不适用。检查结果也易受医师临床技能水平的影响。孕妇滥查B超可能易致胎儿畸形2024/8/2952024/8/296 超声图象2024/8/297 超声图象2024/8/298超声图象PhotocourtesyPhilipsResearchUltrasound examination during pregnancyUltrasound examination during pregnancy2024/8/299超声图象PhotocourtesyPhilip
20、sResearch3D ultrasound images3D ultrasound images 2024/8/2101DSA2024/8/2103正电子断层扫描仪图像正电子发射断层扫描仪PET(PositronEmissionTomography)是当今最高层次的核医学技术，它也是当前医学界公认的最先进的大型医疗诊断成像设备之一。电子发射断层成像已成为肿瘤、心、脑疾病诊断与病理研究中的不可缺少的重要方法该技术主要研究人体内部组织与器官功能的重要手段2024/8/2104PET显像主要是在分子水平上提供有关脏器及其病变的功能信息。PET所用的示踪药物主要是18F-FDG短寿命正电子核素，它们
21、是组成有机体组织的基本成分并能参与代谢过程。大多数疾病的生化变化先于解剖学的变化，并且PET对于示踪剂浓度的灵敏度非常高，能高精度地定量地检测出代谢过程的非正常增加并给出清晰的图像（所谓热源成像），因此PET能提供很多疾病在发展过程中的早期信息，可以进行超前诊断，尤其适合于肿瘤的早期诊断2024/8/2105PET如图是构成三维再现图像序列的一幅样品，图像显示脑部和肺部各有一个肿瘤，如图是构成三维再现图像序列的一幅样品，图像显示脑部和肺部各有一个肿瘤，很容易看到的小白块很容易看到的小白块2024/8/2106SPECT技术，即单光子发射计算机断层成像术（，），是核医学的一种技术。由于它是对从病
22、人体内发射的射线成像，故亦称发射型计算机断层成像术，。与相比，二者不同的是射线的入射方式，接受的射线是由受检者体内发出来的，而是由射线从体外穿透人体到达接受器的。2024/8/2107SPECT临床应用在神经系统它可以提供局部脑血流的供应数据，诊断、癫痫等，可诊断和鉴别诊断交通性脑积水和梗阻性脑积水；在心血管方面可显示心脏并测定心脏的功能提供、等值，特别在冠心病诊断方面有其独特的意义，与冠状动脉造影相比，的灵敏度可达到，特异性可达到，能直观地提供心肌缺血的部位、范围及严重程度，也能提示冠状动脉病变的部位；还可以在心肌梗死发生后行心肌显像以判断心肌梗死区内的心肌是否存活，这对于下一步的治疗如、放
23、置支架、冠脉搭桥术等冠状动脉血运重建非常重要2024/8/2108在肿瘤诊疗方面，利用亲肿瘤的放射性药物进行肿瘤显像，可以发现原发肿瘤及转移的肿瘤，特别是转移到骨骼上的肿瘤，它可以在病人还未感到不适或疼痛时发现病变的存在，可比线提早月发现病灶。所以当肿瘤病人感到全身不适或疼痛时对其及时进行检查是合适和必要的。2024/8/2109在泌尿系统疾病方面，可以动态和静态观察两个肾脏的形态、位置、肾脏的功能并计算出两肾、输尿管的通畅情况；在呼吸系统方面，可进行肺灌注显像和肺通气显像诊断肺梗塞及下肢静脉显像寻找栓子存在；2024/8/2110在新生儿黄胆时可行肝胆显像鉴别诊断新生儿肝炎和先天性胆道闭塞；
24、消化道出血时可定位出血部位和诊断美克尔憩室（），后者的诊断率为。当然还可以在器官移植、妇科病、血液病方面以及科研等多学科、多领域进行广泛应用。2024/8/2111仪器是医院必备的常规检查设备，以检查无创、安全、简便、经济、实用等优点而被广大病人所接受，同时也为临床、科研、教学提供有力帮助而被医务人员所接受。2024/8/2112成像技术CTMRIPETSPECT优点1.成像速度快2.对骨组织敏感3.空间分辨率较高4.造价相对较低1.软组织成像效果好2.空间分辨率高3.对人体无危害4.扫描角度灵活5.无骨伪影1.对比度较高2.受体成像3.属于化学成像1.对比度较高2.价格较低缺点1.X射线对人
25、体有危害2.对软组织成像较差3.骨的边缘在成像中易产生条状伪影4.成像角度不灵活1.对骨组织成像效果较差2.成像时间较CT长1.价格昂贵，必须配备回旋加速器2.分辨率较差1.分辨率低2.成像速度慢2024/8/2113DICOM标准DICOM（DigitalImagingandCommunicationinMedical）医疗设备的国际标准通讯协议以解决不同厂商的各种医疗设备的互连问题2024/8/2114医学图像处理和分析的应用辅助医生诊断突出感兴趣区域，消除噪声，提供更多的信息三维建模图像融合虚拟内寇镜治疗规划辅助外科手术制定手术规划手术导航和术中监护医学教学教学数字解剖模型手术教学训练科
26、学研究脑功能和结构的研究2024/8/2116 MRI2024/8/2117MR AngiographyHeadS/IProjectionMRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchool2024/8/2118Morphological Image ProcessingChen,Dougherty,Totterman,Hornak,Magn. Reson. Med. 29:358(1993)NormalCysticScleroticOsteoporosis2024/8/2119授课内容数字图像处理绪论（一节课）医学图像增强（3,4节课）医学图像分割、配准及
27、融合（一节课）基于医学影像的计算机辅助诊断（一节课）医学图像三维显示（一节课）虚拟人体计划研究概述（一节课）分子影像学中图像处理与分析技术（一节课）matlabMATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。2024/8/2
28、1212024/8/2122Matlab环境2024/8/2123图像的输入输出读取图像读入Tiff,bmp,jpeg,gif,png图像X=imread(filename);显示读入的图像imshow(X) 同时显示多幅图像 figure,imshow(g)保存图像imwrite(f,filename)读入dicom图像X , map = dicomread(filename)显示读入的图像montage(X, map);保存dicom图像dicomwrite(X, filename)2024/8/2124图像类型亮度图像像素值表示亮度uint8uint16double二值图像索引图像RGB
29、图像2024/8/2125Matlab中的数据类名称描述doubleUint8Uint16Uint32Int8Int16Int32SingleCharlogical双精度浮点数，范围：-1030810308（8字节/像素）无符号整数02551字节/像素0655352字节/像素042949672954字节/像素有符号整数-1281271字节/像素-32768，327672字节/像素-2147483648，21474836474字节/像素单精度浮点数，范围：-10381038（4字节/像素）字符（2字节/像素）值为0或11字节/像素2024/8/2126数据类和图像类型之间的转换数据类间的转换B=
30、data_class_name(A)图像类和类型间的转换2024/8/2127数组索引向量（行向量）创建向量的元素用方括号括起，并由空格或逗号分开。例如：v=13579W=1，2，3，4,5单个像素的访问:向量名(下标)如：v(3)访问连续元素：例如要存取w的中间三个元素w(2:4)存取w中的最后三个元素w(3:end)访问不连续数据w(1:2:end)从1开始计数步长为2(步长可以为负数)end结束一个向量可以做另一个向量的索引W(145)从行向量产生列向量向量转置（.）x=w.w(:)注意与w(1:end)的区别2024/8/2128矩阵索引矩阵的创建用一列被方括号括起来并用分号隔开的行向
31、量表示例如：A=123；456；789矩阵元素的访问访问单个元素A(2,3)访问二维元素块A(:,3)A(2,:)A(1:2,2:3)A(2:end,end:-2:1)使用向量作为矩阵的索引E=A(13,23)使用逻辑数组D=logical(100;001;000);A(D)A(:)逐列的形式将元素组成列向量sum(A(:)sum(A)区别2024/8/2129一些重要的标准数组zeros(M,N)生成一个大小为M*N的double类矩阵，其元素均为0ones(M,N)ture(M,N)false(M,N)rand(M,N)2024/8/2130M函数编程简介M文件可以是简单的执行一系列Mat
32、lab语句的脚本，也可以是接受变量并产生一个或多个输出的函数M文件扩展名.mM文件组成：函数定义行H1行帮助文本函数体命令函数定义行的形式为：函数定义行的形式为：functionoutputs=name(input)例：例：function s,p=sumprod(f,g)调用s,p=sumprod(f,g)2024/8/2131运算符算术运算符关系运算符逻辑运算符2024/8/2132算术运算符+-两种运算是一致的，其余用圆点（.）来区分两种运算例如：C=A*B表示传统意义上的矩阵成积D=A.*B表示数组乘法，要求A B两个数组大小 相同，逐像素相乘 即：D(I,J)=A(I,J)*B(I,
33、J)2024/8/2133运算符 名称Matlab函数示例+数组和矩阵加减plus(A,B)-minus(A,B).*数组乘times(A,B)*矩阵乘mtimes(A,B)./数组右除rdivide(A,B)C=A./Bc(i,j)=A(i,j)/B(i,j)/矩阵右除mrdivide(A,B).数组左除ldivide(A,B)C=A.Bc(i,j)=B(i,j)/A(i,j)矩阵左除mldivide(A,B).数组求幂power(A,B)C=A.BC(I,j)=A(I,j)B(i,j)矩阵求幂mpower(A,B).向量和矩阵转置transpose(A)Ctranspose(A)所有运算的
34、操作数可以是矩所有运算的操作数可以是矩阵、数组或标量。数据类型阵、数组或标量。数据类型可以实数或复数（可以实数或复数（double类类型的数据）型的数据）2024/8/2134函数描述imaddimsubtractimmultiplyimdivideimabsdiffimcomplementimlincomb两幅图像相加或把常数加到图像两幅图像相减或从图像减去常数两幅图像相乘，相应像素相乘，或图像乘以常数两幅图像相除，相应像素相除，或图像除以常数计算两幅图像间的绝对差对图像求补计算两幅或多幅图像的线性组合IPT主持的图像算术函数优点是支持整数数据类优点是支持整数数据类2024/8/2135关系
35、运算符运算符=-=对相同维数的数组中的相应元素进行比较A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 B=0 2 4;3 5 6;3 4 9B = 0 2 4 3 5 6 3 4 9 A=Bans = 0 1 0 0 1 1 0 0 1A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 B=0 2 4;3 5 6;3 4 9B = 0 2 4 3 5 6 3 4 9 A=Bans = 1 1 0 1 1 1 1 1 12024/8/2136逻辑运算符与函数逻辑运算符：&、|、运算符既能作用于逻辑数据也能作用于数值数据。逻辑1和所有非零数据作为TRUE来处理将逻辑0和数值0做false来处理A=1 2 0;
36、0 4 5;B=1 -2 3; 0 1 1;A&Bans= 1 1 0 0 1 12024/8/2137流控制if expression statemants end If if expression statemants1else statemants2 end if expression1 statemants1else if expression2 statemants2else statemants2 end 2024/8/2138For语句for index1=start:increment:end statementend 例：count=0for i=0:0.1:1 count=
37、count+1;end 2024/8/2139whileWhile express statement;endwhile express1 statement1; while express2 statement2; endendBreak: 跳出循环Continue :跳出本次循环2024/8/2140switchSwitch switch_expressCase case_express1 statement1;Case case_express2 statement2;Case case_express3 statement3;Otherwise statementn;end2024/8/2141作业一结合自己所学专业，谈谈图像处理在本专业的应用熟悉matlab环境
